論虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用

侯志堅(jiān)

【摘要】MATLAB是一種用于數(shù)據(jù)分析以及圖像處理的智能控制系統(tǒng)，其能夠在直流斬波電路的教學(xué)過程中，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作來保證實(shí)驗(yàn)的實(shí)效性與安全性。本文通過對直流斬波電路教學(xué)中存在的問題進(jìn)行分析，從而從技術(shù)參數(shù)、平臺(tái)應(yīng)用、波形分析以及技術(shù)培訓(xùn)等方面探究直流斬波電路虛擬仿真教學(xué)路徑，以此來全面提高直流斬波電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】MATLAB;直流斬波電路;虛擬仿真教學(xué)

在如今教育教學(xué)現(xiàn)代化以及教學(xué)信息化發(fā)展的背景下，我國諸多高校都開始全面探究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用，以期能在仿真實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)操作中通過逼真、立體的表現(xiàn)形式來完成復(fù)雜程度和危險(xiǎn)性較高、技術(shù)操作難度較大的實(shí)驗(yàn)，以此來增強(qiáng)課堂教學(xué)的趣味性，提升教學(xué)質(zhì)量與效果。由于直流斬波電路需要全控型器件進(jìn)行操作，所以更需要MATLAB作為一種輔助教學(xué)工具來完成課堂的高質(zhì)量教學(xué)。

一、MATLAB基本理論闡述

MATLAB是一種用于數(shù)據(jù)分析、無線通信、圖像處理、信號處理等領(lǐng)域的一種數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件，其在矩陣運(yùn)算、編程語言創(chuàng)建等方面擁有較高的應(yīng)用，并且能夠創(chuàng)設(shè)一種可視化的交互性程序來實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)的虛擬化運(yùn)作。另外，MATLAB作為應(yīng)用程度較高的數(shù)學(xué)軟件，能夠在科學(xué)研究以及工程設(shè)計(jì)等方面創(chuàng)建編程環(huán)境，更好地提高相關(guān)課程的教學(xué)效果。

（一）高效數(shù)值計(jì)算，簡化運(yùn)算流程

在如今的數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)分析中，MATLAB作為一種高效的數(shù)值運(yùn)算軟件被普遍應(yīng)用，其主要是以基于線性代數(shù)的科學(xué)計(jì)算軟件，能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)所收集到的數(shù)據(jù)用矩陣來呈現(xiàn)，并且將所形成的矩陣以單元建構(gòu)的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，從而根據(jù)線性代數(shù)中數(shù)據(jù)處理與分析的方法來進(jìn)行矩陣中數(shù)據(jù)的運(yùn)算。而MATLAB軟件在對動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與整理的過程中，則更多的是使用微分方程或定積分的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，從而簡化運(yùn)算流程，保證數(shù)據(jù)計(jì)算的高效性。

（二） 圖形處理完備，編程可視化處理

大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的信息處理不僅需要高精度的數(shù)據(jù)測算來實(shí)現(xiàn)程序流程的正常應(yīng)用，而且將圖形進(jìn)行可視化呈現(xiàn)更能直觀地反映數(shù)據(jù)運(yùn)算的結(jié)果。特別是如今常見的二維、三維圖形，還有復(fù)雜的電路圖等，很多圖形難以通過人工繪制來呈現(xiàn)。而MATLAB能夠?qū)?shù)據(jù)測算轉(zhuǎn)化為一定的圖形圖像，并且在圖形圖像的全面呈現(xiàn)中創(chuàng)設(shè)一個(gè)虛擬的空間，從而在空間的可視化中解決實(shí)際電路應(yīng)用中的諸多問題。

（三）工具箱資源豐富，處理工具實(shí)用性強(qiáng)

MATLAB系統(tǒng)包含豐富的工具箱資源，其能夠通過不同類的專用工具箱來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的最優(yōu)化處理。同時(shí)，MATLAB系統(tǒng)中的line函數(shù)、polar函數(shù)、grid函數(shù)等諸多繪圖函數(shù)都可以通過用戶的系統(tǒng)化操作來完成函數(shù)的調(diào)用。在這樣的人機(jī)交互系統(tǒng)中，用戶不需要了解內(nèi)部系統(tǒng)的運(yùn)作方式，只需要用鼠標(biāo)點(diǎn)擊就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)操作，得到最終想要的圖形與結(jié)果。

二、直流斬波電路教學(xué)中的困境

（一）直流斬波電路升壓失效問題

在實(shí)際的直流斬波電路實(shí)驗(yàn)操作中，由于受到不可控整流電路的影響，整個(gè)電路實(shí)驗(yàn)中容易出現(xiàn)電源輸入以及電阻變化的問題。這在一定程度上影響了整個(gè)電路的實(shí)際工作效率與運(yùn)作質(zhì)量。在目前的電路實(shí)驗(yàn)中，普遍存在著結(jié)果異常的問題。一方面，電阻流量過小使得電流在運(yùn)作過程中產(chǎn)生了斷流的問題，影響了最終測量電壓的實(shí)現(xiàn)效果。另一方面，示波器、萬能表等實(shí)際的測量設(shè)備由于器械使用年限的問題，容易在測量上產(chǎn)生較大誤差，使得測量的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，影響最終的測量結(jié)果，使實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生方向上的錯(cuò)誤。由于這些因素的影響，使得直流斬波電路最終的電流升壓失效，從而影響了后期相關(guān)數(shù)據(jù)的整理與分析，對于課程教學(xué)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃也會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)操作問題

在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，教師主要是基于課本上相關(guān)電路的運(yùn)作與原理來完成基本的理論課程的教授，并且在相關(guān)測量儀器與測量設(shè)備的輔助教學(xué)中完成電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。例如在控制電路教學(xué)中，主要通過電路的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)PWM信號的產(chǎn)生，這也就是在教學(xué)中需要重視主功率器件的通斷來保證整個(gè)電路的安全性，而驅(qū)動(dòng)電路時(shí)則需要根據(jù)直流斬波電路的不同類型來確定是否實(shí)現(xiàn)電路之間的隔離，并且在調(diào)試中保證電路兩端的正常電流。在整個(gè)操作過程中，教師雖能夠?qū)镜牟僮髁鞒逃幸粋€(gè)清楚的理解，但是當(dāng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中時(shí)，還是容易產(chǎn)生技術(shù)操作上的問題，特別是在相應(yīng)的設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)與調(diào)試過程中，教師容易按照之前的經(jīng)驗(yàn)來完成教學(xué)，使得虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)難以發(fā)揮最大的教學(xué)效用。

（三）虛擬實(shí)驗(yàn)室普及率低

在目前的電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置等課程教學(xué)中，高校大多采用實(shí)際的器械設(shè)備來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于受到資金以及技術(shù)性操作人員缺乏的影響，目前高校難以實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的全面應(yīng)用。而實(shí)際的器械設(shè)備使用容易產(chǎn)生操作失誤、精準(zhǔn)度不高以及安全性的問題，這會(huì)影響實(shí)際的教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效果。

三、基于MATLAB的直流斬波電路虛擬仿真教學(xué)路徑探究

（一）優(yōu)化技術(shù)參數(shù)，保證直流斬波電路實(shí)效性

在實(shí)際的教學(xué)過程中，需要對于直流斬波電路的實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行分析，從而基于MATLAB來進(jìn)行相關(guān)程序的編寫。在這一過程中，需要對應(yīng)用過程中的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行全面優(yōu)化，保證電路運(yùn)作的實(shí)效性。在計(jì)算機(jī)輔助軟件的作用下，通過MATLAB仿真軟件來列出相應(yīng)的微分方程，并且基于微分方程來確立不同電路工作狀態(tài)中的波形，以此來構(gòu)建相應(yīng)電路的應(yīng)用模型。在此需要對實(shí)驗(yàn)所需的電流參數(shù)、電壓參數(shù)以及電阻參數(shù)進(jìn)行精確設(shè)置，從而保證波形圖的精準(zhǔn)性。與此同時(shí)，在500Ω、5kΩ以及50kΩ等不同電阻的情況下繪制不同的參數(shù)曲線，能夠豐富課堂教學(xué)形式，保證基本的實(shí)踐課程教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)還能激發(fā)學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)探究的熱情，提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。

（二）構(gòu)建應(yīng)用平臺(tái)，全面應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室

首先，高校要?jiǎng)澏ㄒ徊糠值馁Y金來實(shí)現(xiàn)MATLAB仿真軟件的全面應(yīng)用，創(chuàng)設(shè)校園專門的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，在此基礎(chǔ)上開展相應(yīng)的技術(shù)性教學(xué)活動(dòng)。同時(shí)，還要籌建一個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的練習(xí)平臺(tái)，使學(xué)生在研究與探索的過程中能夠自行進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，并且在平臺(tái)操作中記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為課堂上的仿真教學(xué)提供一定的經(jīng)驗(yàn)。在學(xué)生的技術(shù)性操作中，通過基礎(chǔ)練習(xí)平臺(tái)的設(shè)置來鼓勵(lì)學(xué)生參與虛擬電路實(shí)驗(yàn)，可減少實(shí)際電路設(shè)備的消耗，同時(shí)通過虛擬平臺(tái)教學(xué)也保證了實(shí)驗(yàn)的安全性。

（三）重視波形分析，完善電子電路的教學(xué)模型

在MATLAB虛擬仿真軟件的應(yīng)用中，電路的控制是實(shí)現(xiàn)電路基本運(yùn)作的重要方式，其需要根據(jù)電路的基礎(chǔ)參數(shù)來繪制一定的波形圖像，從而在波形圖像的觀察中分析電路的運(yùn)作方式與電路的通斷效果。例如在電路的瞬時(shí)值控制方式中，其主要是將輸出電流反饋的瞬間數(shù)值與預(yù)先設(shè)定的電流的活動(dòng)范圍進(jìn)行比較，其波形圖像中電路關(guān)斷為波形圖像的最高值，導(dǎo)通為最低值，整個(gè)圖像的變化處于一個(gè)相對穩(wěn)定的區(qū)間，這就說明其控制方式具有瞬時(shí)響應(yīng)快的特征，適宜采用全控型器件來作為直流斬波電路的主功率元件。這也就是說，波形分析能夠反映一定的主功率元件的特征，從而構(gòu)建適合的電力電路模型，這就需要教師在教學(xué)中重視波形分析圖的識別與教學(xué)。

（四）加強(qiáng)教師技術(shù)培訓(xùn)，提升教師的實(shí)際操作技術(shù)

基于MATLAB的直流斬波電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅需要教師掌握基本的電力操作與控制原理等方面的內(nèi)容，還需要在教學(xué)中掌握一定的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的技術(shù)操作能力。這就需要高校重視仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的技術(shù)性培訓(xùn)，鼓勵(lì)相關(guān)課程教師學(xué)習(xí)新技術(shù)，從而更好地提高教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，還需要組建一批高質(zhì)量的專業(yè)化教學(xué)團(tuán)隊(duì)，以此來增強(qiáng)校園電子電路等相關(guān)課程的授課專業(yè)性，從而保證學(xué)生基本實(shí)踐操作的需要。

四、結(jié)語

綜上所述，MATLAB作為一種重要的數(shù)學(xué)技術(shù)性處理軟件，能夠在直流斬波電路的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)充分應(yīng)用，從而提高教學(xué)質(zhì)量與水平。這就要求課程教學(xué)中通過優(yōu)化技術(shù)參數(shù)、重視波形分析、構(gòu)建技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)以及加強(qiáng)教師技術(shù)培訓(xùn)來全面增強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用，從而將新時(shí)代的技術(shù)性成果充分應(yīng)用于教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的全面提升。

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【本文系河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃“基于深度Q學(xué)習(xí)的微電網(wǎng)能源管理與能量交易的聯(lián)合控制”（20B120001）、河南工學(xué)院教師教學(xué)創(chuàng)新項(xiàng)目“基于虛擬仿真的《電力電子技術(shù)及應(yīng)用》課程教學(xué)改革”（DQXY-2019011）的階段性成果】

（作者單位：河南工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院）